傳感器技術(shù) 習題及答案匯 第1-13章 侯勁

第1章思考題與習題參考答案（sensing（transducing組成。（流（DDZ-4～20mA1～5V的直（ane（（解：傳感器無線化、微型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、虛擬化、安全化。第2章思考題與習題參考答案解：傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸入的關(guān)系。主要指標：線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度與靈敏度誤差、分辨率與閾值、穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、解：階躍幅值是輸入信號為階躍輸入時發(fā)生瞬間的幅值變化量，響應(yīng)時間是系統(tǒng)響應(yīng)在接近最終穩(wěn)態(tài)值的2%或5%誤差內(nèi)所需的時間。2-1x100110120130140150160y138.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04解：由表可知將測量范圍分為了6等份，N=7，N為實際標準測試點，可得到x2和xy如下表所示：x210000121001440016900196002250025600xy1385015651.917527.219476.621501.223596.525766.4計算對應(yīng)的x和y值：根據(jù)最小二乘法公式：可得：x100110120130140150160y138.50142.29146.06149.82153.58157.31161.04-0.02640.00760.02160.02560.02960.0036-0.0224最大非線性誤差為：根據(jù)最小二乘法公式：最小二乘法擬合的相對非線性誤差：僅限個人使用，擅自轉(zhuǎn)發(fā)，屬于侵權(quán)行為解：傳感器的動態(tài)特性是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應(yīng)特性。主要指標：時間常數(shù)，延遲時間，上升時間，峰值時間，超調(diào)量，衰減比。）8dd+3=6，x（。①求此溫度傳感器的時間常數(shù)與靈敏度。②將此傳感器從冰水混合物中取出，開始測量26℃的室溫，寫出其輸出y的階躍響應(yīng)表達式。解：①一階傳感器的標準微分方程為：② 3s20100①當開始測量0s時，溫度指示是多少℃？②列出傳感器輸出解析式，計算當開始測量9s時的溫度測量誤差是多少？2s8s0s20℃。② ③試分計一傳器的躍應(yīng)動誤和穩(wěn)時。解： 150Hz3%100Hz 解：① ② 僅限個人使用，擅自轉(zhuǎn)發(fā)，屬于侵權(quán)行為y(t)x(t)第3章思考題與習題參考答案（部分）將200Ω電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上，試件截面積A=0.4×10??m2，彈性模量5×10?N2Ω解： 一個量程為20kN的筒式力傳感器，其彈性元件為薄壁圓筒，軸向受力，外徑25mm，內(nèi)徑20mm，在其表面粘貼8個電阻應(yīng)變片，4個沿軸向粘貼，4個沿周向（徑向）粘貼，電阻應(yīng)變片的電阻值均為200Ω，靈敏度為2.0，泊松比為0.3，材料彈性模量為2.5×1011N/m2。①繪出彈性元件貼片位置及全橋電路；②當橋路的供電電壓為12V時，計算橋路的輸出電壓；③在滿量程時，計算傳感器各電阻應(yīng)變片的阻值變化。解：軸向粘貼各電阻應(yīng)變片：周向（徑向）粘貼，電阻應(yīng)變片：某測重力的等強度懸臂梁，受到重力（向下的拉力）1×105N，力的作用面積為?4m2，E=4×1011N/m2（靈敏系數(shù)K=4）U=10V①單臂電橋輸出電壓值（不需要考慮溫度影響）是多少？是否存在非線性誤差？②如果應(yīng)變片貼裝為差動半橋輸出，輸出電壓、非線性誤差又是多少？解：單臂電橋輸出：

，存在非線性誤差，不為0。差動半橋輸出：

，非線性誤差為0。R1K=2.0R1=150ΩFε=500μm/m。①求電阻應(yīng)變片的電阻變化量ΔR1和電阻相對變化量ΔR1/R1；僅限個人使用，擅自轉(zhuǎn)發(fā)，屬于侵權(quán)行為②將電阻應(yīng)變片R1置于單臂測量電橋，電橋電源電壓為直流3V，求電橋輸出電壓及其非線性誤差；③如果要減小非線性誤差，應(yīng)采取何種措施？分析其電橋輸出電壓及非線性誤差的大小。解：0.0015V0.003V0）3-7E=8V，R1=R2=R3=R4=120Ω析：R11.5R1?5m210N/m25NUo是多少？②假定此為4只規(guī)格型號相同且屬于同一批次的應(yīng)變片，用于等強度梁式傳感器測力系統(tǒng)中，要求用2只電阻應(yīng)變片來測量被測參數(shù)，另2只實現(xiàn)溫度補償?shù)划a(chǎn)生應(yīng)變，畫出4只應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼位置及測量電橋。解：第4章思考題與習題參考答案（部分）一個平板電容式傳感器放置在相對介電常數(shù)εr=1.2的氣體環(huán)境中，結(jié)構(gòu)如圖4-5（a）所示，其中a=12mm、b=18mm，兩極板間距d=2mm。測量時，一塊極板在原始位置上向左平移了3mm，求該傳感器的電容變化量、電容相對變化量和位移靈敏度K。解： 有一個直徑為2.5m、高6m的鐵桶，往桶內(nèi)連續(xù)注水，液面高度應(yīng)留10%的余解：當未注入液體時的初始電容為：注液體后總電容量為：在這種情況下，采用圓筒形電容式傳感器，實現(xiàn)測量。電阻應(yīng)變片測量，見54頁（3-64）方案4-31C=f(x)ε0ε2＞ε14-31所示。①推導(dǎo)變介電常數(shù)型電容式位移傳感器的特性方程C=f(x)；證明被測介質(zhì)在電容極板間位置產(chǎn)生上下平移，不影響C=f(x)的表達式。②設(shè)=3、d=1（50，ε11ε2=。在=～6m范C=f(x)Cx解：如圖所示，C21、C22、C23串聯(lián)為C2，然后與C1并聯(lián)。帶入數(shù)據(jù)即可，或采用例4-4計算方法。并采用MATLAB繪圖。r=5mmd=0.4mm，問：①工作時，如果傳感器與工件的間隙變化Δd=2μm時，電容變化量是多少？僅限個人使用，擅自轉(zhuǎn)發(fā)，屬于侵權(quán)行為②如果改進為差動結(jié)構(gòu)，傳感器與工件的間隙變化量Δd=±2μm時，電容變化量是多少？解：第5章思考題與習題參考答案（部分）S=1cm2L=16cm，相對磁導(dǎo)率r400δ0=06c，Δ=0104×107HmN2000ΔL/Δδ解：5-31U=10V，f=600Hz器線圈電阻與電感分別為R=60Ω，L=40mH，用兩只匹配電阻設(shè)計成四臂等阻抗電橋以獲①匹配電阻的值為多少時才能使輸出電壓靈敏度達到最大？②當 時，別成臂差動橋的出壓。解：①② 變氣隙電式器圖5-32所，芯面為長5mm的正方，氣厚度為0.6mm，銜鐵大移=±0.03mm，激勵匝數(shù)為3000，忽漏及鐵，空氣導(dǎo)率 。①線圈的電感值；②線圈電感的最大變化量。解：① ② 5-33相對理想位置的變化為x，則ΔL=kx，試計算液位為理想位置及液位上升下降時的傳感器輸ΔZ1=ΔZ2，ΔL1=ΔL2，ΔL=ΔL1+ΔL2僅限個人使用，擅自轉(zhuǎn)發(fā)，屬于侵權(quán)行為解： ①液面為理想位置，鐵芯處于中間位置②液面上升，鐵芯上移，③液面下降，鐵芯下移，第6章思考題與習題參考答案（部分）解：由磁電感式傳感器的傳遞函數(shù)及其幅頻特性可知，當被測物振動頻率低于傳感器的固有頻率時，由式（6-7）可知，傳感器的靈敏度SU=U0/v,是隨振動頻率的升高而明顯增加的。當振動頻率遠大于傳感器固有頻率時，傳感器的靈敏度近似為一個常數(shù)，基本上不隨頻率變化，即在這一頻率范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓與振動速度成正比關(guān)系，這一頻段就是傳感器的理想工作頻段。在振動頻率更高（過大）的情況下，線圈阻抗增加，內(nèi)阻顯著增大，由式（6-6）可知，傳感器的靈敏度會隨著振動頻率的增加下降。解：霍爾電動勢為：UH=KHIB，在極性相反磁場強度相同的兩個磁鋼氣隙中放入一片霍爾片，當霍爾片處于中間位置時，霍爾片同時收到大小相等，方向相反的磁通作用，則有=0位二者之間的聯(lián)系是都運用了彈性元件，被測壓力轉(zhuǎn)換為彈性元件的位移或形變；區(qū)別在于霍爾式壓力計通過上面原理測量彈簧管末端位移位移，應(yīng)變式壓力計工作原理是通過壓力造成彈性元件的形變，在彈性元件表面粘貼應(yīng)變片，測量應(yīng)變而實現(xiàn)壓力測量?；魻栐、b、d尺寸分別為2.0mm、5.0mm、0.2mm，沿l方向通以電流=1.0Ab=042V·T解：由可得 解：可以實現(xiàn)。傳統(tǒng)的的開關(guān)，采用機械接觸式，在使用時間久后，容易產(chǎn)生抖動或接觸不良、強度或彈性下降、金屬表面氧化或堆積污垢，系統(tǒng)的可靠性不高。所采用的霍爾式無觸點開關(guān)，其構(gòu)造是在按鍵部分設(shè)置永久磁鐵，鍵被按下時，磁鐵的磁場作用在開關(guān)型集成霍爾傳感器上，霍爾元件導(dǎo)通，相當于電路被接通，形成開關(guān)動作。開關(guān)型集成霍爾元件的工作十分可靠，功耗低，動作過程中傳感器與機械部件之間沒有機械接觸，使用壽命很長。解：霍爾鉗形電流表的工作原理主要是基于霍爾效應(yīng)和安培定律?；魻栥Q形電流表的探頭使用環(huán)形鐵芯作為集束器，霍爾器件放置在空隙中間。當電流通過導(dǎo)線時，會在其周圍產(chǎn)生磁場，這個磁場的強度與電流成正比?；魻栐谶@個磁場中會產(chǎn)生霍爾電勢，其大小與磁場的強度成正比。通過對這個霍爾電勢的測量，可以間接測得電流的大小?；魻栥Q形電流表通過內(nèi)置的放大器放大電壓信號，使得電流值可以直接讀數(shù)，而無需接觸式測量。非接觸式測量方法使得在不斷開電路的情況下就能測量電流。第7章思考題與習題參考答案（部分）解：壓電效應(yīng)是指某些材料在受到機械壓力（如拉伸或壓縮）時，會產(chǎn)生電荷或電壓的現(xiàn)象。這種效應(yīng)源于材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生變形，從而導(dǎo)致內(nèi)部電荷的分布發(fā)生變化。壓電效應(yīng)可分為兩種：正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指在某些壓電材料（如石英、陶瓷等）受到外力作用時，材料內(nèi)部會產(chǎn)生電荷，表現(xiàn)為表面電壓的產(chǎn)生。逆壓電效應(yīng)是指在某些壓電材料施加電場時，材料會發(fā)生形狀或尺寸的變化。解：石英的晶體結(jié)構(gòu)由硅原子和氧原子通過共價鍵結(jié)合而成，形成了一個三維的網(wǎng)絡(luò)3:XYZ軸。Z軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸：Y軸又稱為機械軸，它XYZ解：壓電陶瓷具有較寬的工作頻率范圍，能夠在高頻和超聲波應(yīng)用中工作。其頻率響應(yīng)能力使其成為超聲波發(fā)生器、傳感器和聲學(xué)設(shè)備的理想選擇。在溫度和濕度變化下具有良好的穩(wěn)定性。它們能夠在廣泛的溫度范圍內(nèi)保持壓電性能的穩(wěn)定，并且濕度的影響對其較小，使其適用于各種環(huán)境條件下的應(yīng)用。壓電陶瓷具有較高的機械強度和硬度，能夠承受較大的壓力和應(yīng)力而不易破裂。這種機械穩(wěn)定性使得它們在高壓力和惡劣環(huán)境下具有出色的性能。解：電壓放大器處理的是電壓信號，通常在壓電傳感器中，經(jīng)過壓電材料產(chǎn)生的電壓信號。在某些情況下，如果壓電傳感器輸出的電壓信號較強且穩(wěn)定，可以直接使用電壓放大器進行放大。電荷放大器專門處理電荷信號，適用于從壓電傳感器中提取的微小電荷信號。（解：不能，因為壓電傳感器是基于壓電效應(yīng)工作的，能夠?qū)C械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電信號。（解：壓電式傳感器是一種基于壓電效應(yīng)工作的傳感器，用于檢測和測量壓力、力、加速度、位移、聲波等物理量。它們利用壓電材料（如壓電陶瓷、單晶材料等）的特性，將施加在其上的機械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電信號。壓電式傳感器的工作原理是基于電介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，當對材料的表面施加力時，其表面會產(chǎn)生電荷，電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大變換后，成為與外力成正比的電輸出，由此再進行測量。解：串聯(lián)連接：適用于需要高電壓輸出的場合，并要求測量電路有高的輸入阻抗。尤其是在動態(tài)測量中效果明顯。并聯(lián)連接：適用于需要高靈敏度和大電荷輸出的場合，適用于測量緩變信號和以電荷為輸出的場合。第8章思考題與習題參考答案（部分）用S解：①圖略，詳見書中電路圖。②按測溫電路測量兩點間的溫差及三點平均溫度，測量誤差主要由熱電偶的熱電勢與對應(yīng)溫度的非線性引發(fā)。例：測量T1和T2溫。設(shè)T1和T2的度別是800℃和900℃，則：溫差電勢 而， ，根據(jù)插值公式計算得：，∴測量絕對誤差 ，據(jù)此電路測量的溫差大于際差。用E630℃，20T，K30.383mV接線端是30解：設(shè)熱電偶熱端溫度為T① ②查度得：30.383mV對應(yīng)730℃， ∴該分度號熱電偶的熱電勢與溫度成非線性關(guān)系。熱端為1000℃時，鎳鉻和考銅組成的熱電偶輸出熱電動勢為6.95mV。已知此溫度條件下考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為?4.0mV，則鎳鉻與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為多少？解：第9章思考題與習題參考答案（部分）?（當用光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體材料中的電子（外光電效應(yīng)是指在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象，如光電管（光電二極光子能量等于逸出功時的頻率為紅限頻率。當光線頻率小于紅限頻率，即使再多的光子照射材料表面也不會產(chǎn)生光電子逸出；當光線頻率大于紅限頻率，即使很微弱的光解：首先，光具有波粒二象性，光又是由具有一定能量、動量和質(zhì)量的粒子所組成，這種粒子稱為光子。光是以光速運動的光子流，每個光子都有一定的能量，其大小與頻率成正比，即，不同頻率的光具有不同的能量，光的頻率越高（即波長越短，光子的能量就越大。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射A0A0總之，根本原因，在于光的頻率決定了光子的能量。光電管的工作原理是什么?其主要特性是什么？光電倍增管是如何工作的?其主要解：光電管是根據(jù)外光電效應(yīng)原理制成的。即當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面進入外界空間。倍增電極的點位依次升高，陽極點位最低。由于相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此，存在加速電場，對電子加速。從陰極發(fā)出的光電子，在電場的加速下，打到第一個倍增電極上引起二次電子發(fā)射。每個電子能從這個倍增電極上打出次級電子，次級電子經(jīng)電場加速打到第二個倍增電極上，如此不斷倍增，陽極最后收到的電子數(shù)將是陰極的105~108倍。主要參數(shù)：倍增系數(shù)、光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度、暗電流、光電倍增管的光譜特性。畫出光敏電阻的結(jié)構(gòu)。光敏電阻的主要參數(shù)有哪些？設(shè)計一個通過光敏電阻控制僅限個人使用，擅自轉(zhuǎn)發(fā)，屬于侵權(quán)行為解：如下圖所示根據(jù)光敏二極管、光敏晶體管的講解，對比電學(xué)中的二極管、三極管，從工作機PNPN型區(qū)移動，從而使通過PN結(jié)的方向電流大為增加，這樣就形成了光電流，處于導(dǎo)通狀態(tài)。當入射光的強度發(fā)生變化時，光生載流子的多少響應(yīng)發(fā)生變化，通過光敏二極管的電流也隨之變化，這樣把光信號變成了電信號。光敏晶體管主要特性：光譜特性、伏安特性、光照特性、頻率特性。光敏二極管主要特性：光電流，響應(yīng)時間，輸出特性NPPNPNPNPNNPPNPNPNPNPN9-9查閱資料，分析紅外測溫儀（額溫槍為例）的工作原理。解：任何溫度高于絕對零度（-273）的物體都會向外輻射紅外線，其輻射的能量與物體的溫度成正比。人體溫度在36~37時，放射出的紅外波長為9~13μm。額溫槍通過紅外傳感器接收紅外線，將其轉(zhuǎn)化為電信號，再通過信號處理電路將電信號轉(zhuǎn)化為溫度數(shù)據(jù)進行顯示與報警。第10章思考題與習題參考答案（部分）?檢測氣體種類：可燃氣體傳感器、有毒氣體傳感器、有害氣體傳感器、氧氣傳感器使用方法分類：便攜式、固定式從獲得氣體樣品分類：擴散式、吸入式從分析氣體組成上：單一式、復(fù)合式工作原理：氣體接觸到加熱的金屬氧化物會導(dǎo)致電阻值增大或減小Cl?（VOCs）注：其他化學(xué)傳感器在生活中的應(yīng)用，言之有理即可。功能：DNA僅限個人使用，擅自轉(zhuǎn)發(fā)，屬于侵權(quán)行為檢測的難度和成本。②觀察：將生物材料感受到的持續(xù)、有規(guī)律的信息轉(zhuǎn)換為人們可以理解的信息。生物傳感器敏感膜的固化方法有哪些?酶膜、抗體和微生物的固化方法有哪些異同?（（包（）。異同點：酶膜抗體微生物酶膜：用方包理吸、價合交。o 抗體：常用學(xué)或吸技。o 微生物：見固技有包法固化。酶膜抗體微生物相同點：三者都追求提高穩(wěn)定性和反應(yīng)性，確保在各種條件下的有效性第11章思考題與習題參考答案（部分）① 解：溫度傳感器在電路中的作用是用來檢測系統(tǒng)的溫度變化，并將溫度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。這些電信號可以用于系統(tǒng)的溫度補償或校正，以確保測量的精確性。② 解：透鏡：透鏡的作用是將紅外輻射聚焦到檢測器上。通過聚焦，可以增加信號的強度，提高測量的靈敏度和準確性。濾光片：濾光片用于選擇特定波長的紅外輻射，過濾掉不需要的波長，從而提高系統(tǒng)的選擇性和測量精度。這種選擇性能夠讓傳感器更準確地探測目標輻射，減少干擾。③ 解：熱釋電效應(yīng)是指某些材料在溫度變化時，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，利用這種效應(yīng)，可以將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而實現(xiàn)溫度的測量；熱釋電效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電信號，產(chǎn)生電流或電壓信號，整個過程能量是“光—熱—電”的變化。解：熱釋電效應(yīng)是指某些材料在溫度變化時，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。X解：1.材料的厚度：X射線在穿透材料時會逐漸衰減，材料越厚，X射線的衰減就越顯著。2.X射線與這些原子的相互作用就越強烈，導(dǎo)致輻射強度衰減更快。3.物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)????:質(zhì)量系數(shù)越解：1.Geiger-Müller計數(shù)器：正常情況下，金屬絲正極與金屬壁負極之間有略低于惰性氣體的擊穿電壓，因此管內(nèi)氣體不放電。當核輻射粒子以高速狀態(tài)進入管中，它們與氣體相互作用，引發(fā)氣體電離，產(chǎn)生電子-離子對。這些電子-離子對受到電場的影響，產(chǎn)生電流，形成電脈沖，每個脈沖代表一次核輻射事件，可以被計數(shù)器記錄，從而確定輻射水平。2第12章思考題與習題參考答案（部分）(IoT)技術(shù)數(shù)據(jù)融合：利用歸一化，特征提取等技術(shù)，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為便于合并的形式，并進行整合與分析，以獲得比單個傳感器更準確、更全面的信息。（SupervisedLearning）：無監(jiān)督學(xué)習（UnsupervisedLearning）：半監(jiān)督學(xué)習（Semi-supervisedLearning）：強化學(xué)習（ReinforcementLearning）：僅限個人使用，擅自轉(zhuǎn)發(fā)，屬于侵權(quán)行為深度學(xué)習的基本結(jié)構(gòu)為輸入層、隱藏層和輸出層，每層由一個或多個神經(jīng)元節(jié)點組成。微處理器：智能傳感器的核心，負責數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析等核心工作。信號處理模塊：將傳感單元采集到的電信號進行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑻幚砥髦?。通信模塊：通過藍牙、WIFI等技術(shù)，或直接通過接口，將傳感器與外界的設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)建立通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和交換。原理：激光波在傳播過程中的相位會隨著時間而變化。設(shè)發(fā)射波的相位為?1，反射波的相位為?2，則相位差Δ?為：Δ?=?2??1。光波在傳播過程中，每傳播一個波長λ，相位變化2π。因此，相位差Δ?與距離d的關(guān)系為：其中，λ是激光的波長。由于激光波需要往返于發(fā)射器和目標之間，實際計算的距離是往返距離的一半。因此，最終的距離D為：脈沖編碼測距法：是一種利用脈沖的時間延遲來測量距離的技術(shù)，通常用于雷達和聲納系統(tǒng)。原理：發(fā)射器發(fā)出一個獨特的脈沖編碼，這個編碼可以是一系列脈沖，每個脈沖具有特定的時間間隔和持續(xù)時間，發(fā)射的脈沖遇到目標物體后反射回來，接收器捕捉到反射回來的脈沖，利用脈沖的時間延遲來測量距離。距離d可以通過以下公式計算：其中，c是脈沖傳播介質(zhì)中的速度(例如，光速或聲速)，Δt是脈沖往返的時間延遲。第13章思考題與習題參考答案（部分）解：由不確定因素（如環(huán)境電磁波干擾、動力源不穩(wěn)定、傳感器元器件性能不穩(wěn)定等）引發(fā)而隨機產(chǎn)生的誤差叫做隨機誤差。隨機誤差的大小與正負符號出現(xiàn)無規(guī)律變化